Способ получения водорода

 

Изобретение относится к способам хранения и получения водорода с применением гидридообразующих сорбентов и может быть использовано в автономных источниках водорода. Водородосодержащий состав формируют из смеси взятых в стехиометрическом соотношении порошков гидридов с металлами или гидридами, металлические компоненты которых способны образовывать интерметаллические соединения и локально их воспламеняют. 1 с. и 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к ракетно-космической и авиационной технике, в частности к способам хранения и получения водорода с применением гидридообразующих сорбентов, и может быть использовано в качестве автономного источника водорода как в полевых условиях, так и на борту летательного аппарата.

Известен способ получения водорода, реализованный в генераторе водорода, включающем камеру, заполненную металлогидридом, для обеспечения работы которого необходим подвод тепла стимулирующего десорбцию водорода [1] Недостатком данного способа является то, что для получения водорода к гидриду необходимо подводить в единицу времени достаточно большие тепловые потоки, что с учетом теплопроводности гидрида и ограниченной возможности электронагревательных приборов довольно затруднительно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения водорода [2] заключающийся в эндотермическом разложении матрицы гидрида металла, размещенной в реакционном сосуде. Гидридная матрица имеет форму, соответствующую конфигурации внутренней оболочки сосуда, и такие размеры, что она заполняет большую часть внутреннего объема сосуда. Матрица имеет большое число равномерно распределенных перфорационных отверстий, в каждом из которых расположен химический источник теплоты для разложения гидрида. Каждый химический источник теплоты содержит инициатор, а на наружной поверхности сосуда имеется средство для приведения в действие указанного инициатора.

В известном способе для выделения водорода из гидридной матрицы необходимо также подводить тепло, достаточное для разложения гидрида. Как правило, упоминаемый химический источник теплоты, по массе почти равен массе гидридной матрицы. Так, например, для получения водорода путем выделения его из NaBН₄ (наиболее водородоемкого используемого гидрида), 1 кг которого содержит 0,1182 кг Н₂, термитного состава (BaO₂ + Al) необходимо брать столько же, сколько и NaBH₄. Таким образом, для получения 0,1182 кг Н₂ необходимо 2 кг смеси гидрида и термитного состава, используемого в качестве химического источника теплоты. При получении водорода путем разложения таких гидридов, как LiH, NaH, ТiH₂ также необходимо иметь высокие температуры, при которых эти гидриды разлагаются, соответственно 1138 К, 703 К, 1193 К. Это при использовании химических источников теплоты также приводит к большим энергозатратам, а соответственно, и к большим массогабаритным характеристикам. Кроме того, в связи с низкой теплопроводностью гидридов время достижения заданных температур достаточно велико.

Задачей изобретения является снижение энергозатрат и уменьшение длительности процесса получения водорода.

Поставленная задача достигается тем, что в соответствии со способом получения водорода путем подвода тепла к водородсодержащему составу на основе гидридов металлов или интерметаллидов, согласно изобретению, в бескислородную среду помещают образец, сформированный из смеси порошков гидридов с металлами или гидридами, взятых в стехиометрическом соотношении, металлические компоненты которых способны образовывать интерметаллические соединения и локально его воспламеняют. Сформированный образец предварительно нагревают до температуры 323-773 К.

Процесс получения водорода из указанной смеси основан на использовании внутренней химической энергии исходных реагентов, образующих интерметаллические соединения, что является наивыгоднейшей организацией процесса выделения водорода из гидридов с тепловой точки зрения.

Часть признаков, отличающих данное техническое решение от известного, не являются новыми, однако совокупность всех отличительных признаков по сравнению с прототипом и аналогами позволяет получить качественно новый способ получения водорода, позволяющий существенно снизить энергозатраты при проведении процесса и ускорить процесс получения водорода. Это позволяет сделать вывод, что техническое решение обладает новизной и отличиями.

Сущность способа заключается в следующем.

Водородсодержащий состав формируют по меньшей мере из гидрида металла и металла или из двух различных гидридов, металлы которых имеют значительное химическое средство, обладают однотипной кристаллической решеткой и близкими по величине атомными радиусами и способны образовывать между собой химические соединения интерметаллиды. При этом выделяется значительное количество тепла, особенно в реакции с образованием интерметаллидов с присутствием ковалентной или ионной составляющей. Этого тепла вполне достаточно, чтобы выделить водород из гидридов.

Процесс получения водорода предлагаемым способом можно представить следующим образом: Me_mH_x+Me_nH_y__→ Me_mMe_n+H_x+y Реакции синтеза интерметаллических соединений Me_mMe_n носят название высокотемпературного самораспространяющегося синтеза (СВС) и могут проходить как в режиме теплового взрыва, так и в режиме послойного горения.

Режим теплового взрыва характеризуется протеканием реакции во всем объеме реакционной системы, в режиме горения химическая реакция после ее локального инициирования самопроизвольно перемещается по веществу в виде узкой зоны. Для протекания самораспространяющейся реакции как в режиме теплового взрыва, так и в режиме горения существуют критические условия: высокая экзотермичность скорости реакции от температуры.

Таким образом, из гидридов, металлы которых могут образовывать интерметаллиды методом СВС, можно выделить водород с минимальными затратами энергии.

Осуществление предлагаемого способа получения водорода можно продемонстрировать на следующих примерах.

1. Берут смесь порошков гидрида Тi, H₂ и Al с дисперсностью от (50-100)10^-6 и в стехиометрическом соотношении по уравнению: TiH₂+Al __→ TiAl+H₂ Из полученной смеси прессуют таблетку пористостью ≈ 40% диаметром (15-20)10^-3 м и длиной (20-30) 10^-3 м. Поместив таблетку в герметичный реактор, создают в нем с помощью насоса вакуум 1,3·10^-6 МПа. Затем, после предварительного нагрева смеси до температуры 573 К с помощью вольфрамовой нити, запрессованной в один из торцов таблетки, осуществляют поджиг смеси. После локального инициирования экзотермической реакции образования интерметаллического соединения ТiAl, фронт ее самопроизвольно перемещается по спрессованной таблетке. При этом выделяется значительное количество водорода. Так, в случае образования интерметаллического соединения ТiAl, 1 кг смеси выделит 0,0256 кг водорода. В случае образования ТiAl₃ по реакции: TiH₂+3Al __→ TiAl₃+H₂ кг смеси выделит 0,0149 кг Н₂. В случае использования 1 кг смеси гидридов ТiH₂ и AlH₃ при образовании интерметаллического соединения ТiAl по уравнению: 2TiH₂+2AlH₃ __→ 2TiAl+5H₂ выделится 0,063 кг водорода.

При образовании интерметаллического соединения ТiAl₃ по уравнению:
TiH₂+3AlH₃ __→ TiAl₃+5,5H₂
из 1 кг смеси выделится 0,069 кг Н₂.

Для сравнения необходимо отметить, что температура термического разложения TiH₂ в соответствии со способом-прототипом составляет 1073-1273 К.

2. В случае использования смеси LiH и AlH₃ поджиг смеси осуществляют без предварительного нагрева. При образовании интерметаллического соединения LiAl, по уравнению
LiH+AlH₃_→ LiAl+2H₂
1 кг смеси выделит 0,1055 кг водорода.

При выделении водорода из LiH путем его термического разложения (Т_разл. 1138 К) с помощью термитного состава, количество полученного водорода составит ≈ 0,052 кг.

При получении водорода путем разложения NaBH₄ (Т_разл. 600 К) с помощью термитного состава, например смеси BaO + Al который берется в соотношении с гидридом 1:1, имеет 1 кг смеси гидрида NaBH₄ и термитного состава, в которой NaBH₄ cодержится 50% выделит 0,0591 кг водорода.

Cледует отметить, что при получении 10 л водорода при давлении 150 атм, используя разложение обратимых металлогидридов в стандартных конструкциях с нагревом до заданных температур через стенку, длительность процесса составляет 180 250 c.

При использовании предлагаемого способа для получения того же количества водорода при том же давлении длительность процесса получения водорода, в соответствии со скоростью реакции образования интерметаллических соединений, составляет 3 8 c.

Предлагаемый в заявляемом способе диапазон температур предварительного нагрева различных смесей соответствует температурному интервалу образования интерметаллических соединений для металлических компонентов, входящих в конкретную смесь.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать водород путем выделения его из металлогидридов посредством использования внутренней химической энергии, выделяемой при образовании интерметаллических соединений в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, значительно снизив энергозатраты и уменьшив длительность процесса.

Как показали проведенные расчеты и полученные экспериментальные данные, это значительно улучшает эксплуатационные параметры процесса по сравнению с термическим разложением гидридов металлов.

Формула изобретения

1. Способ получения водорода путем разложения состава, содержащего гидрид, при нагреве через инициатор, отличающийся тем, что в бескислородную среду помещают образец, сформированный из смеси взятых в стехиометрическом соотношении порошков гидридов с металлами или гидридами, металлические компоненты которых способны образовывать интерметаллические соединения по реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и для ее проведения в качестве инициатора используют нить накала, подведенную к образцу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сформированный образец предварительно нагревают до 323-773К.